特許 7513039 風力発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-01

(45)【発行日】2024-07-09

(54)【発明の名称】風力発電装置

(51)【国際特許分類】

   F03D 17/00 20160101AFI20240702BHJP

【ＦＩ】

F03D17/00

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2022004366

(22)【出願日】2022-01-14

(65)【公開番号】P2023103696

(43)【公開日】2023-07-27

【審査請求日】2023-07-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小林 国浩

(72)【発明者】

【氏名】石浦 一昭

(72)【発明者】

【氏名】森下 聡

(72)【発明者】

【氏名】神保 優

【審査官】高吉 統久

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１６６３９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１９９０５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２２／００１０７８１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００６－１０５９５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２３４３０４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｄ １７／００

Ｆ０３Ｄ ９／１１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

風力発電装置であって、
ブレードと、
一端が前記ブレードに接続されている主軸と、
前記主軸の他端に接続されている増速機と、
一端が前記増速機に接続されている出力軸と、
前記出力軸の他端に接続されている発電部と、
前記出力軸上に配置されている第１クラッチと、
振動センサと、
異常診断部と、
を備え、
前記発電部は、力行動作することで前記出力軸および前記主軸を回転させることが可能に構成されており、
前記異常診断部は、前記第１クラッチが切断されている状態で前記発電部が力行動作している期間中に前記振動センサによって取得されたデータに基づいて、異常の有無を診断する、風力発電装置。

【請求項2】

風力発電装置であって、
ブレードと、
一端が前記ブレードに接続されている主軸と、
前記主軸の他端に接続されている増速機と、
一端が前記増速機に接続されている出力軸と、
前記出力軸の他端に接続されている発電部と、
前記主軸上に配置されている第２クラッチと、
振動センサと、
異常診断部と、
を備え、
前記発電部は、力行動作することで前記出力軸および前記主軸を回転させることが可能に構成されており、
前記異常診断部は、前記第２クラッチが切断されている状態で前記発電部が力行動作している期間中に前記振動センサによって取得されたデータに基づいて、異常の有無を診断する、風力発電装置。

【請求項3】

風力発電装置であって、
ブレードと、
一端が前記ブレードに接続されている主軸と、
前記主軸の他端に接続されている増速機と、
一端が前記増速機に接続されている出力軸と、
前記出力軸の他端に接続されている発電部と、
前記出力軸上に配置されている第１クラッチ、および、前記主軸上に配置されている第２クラッチと、
振動センサと、
異常診断部と、
を備え、
前記発電部は、力行動作することで前記出力軸および前記主軸を回転させることが可能に構成されており、
前記異常診断部は、前記第１クラッチが切断されている状態で前記発電部が力行動作している期間中に前記振動センサによって取得されたデータ、および、前記第１クラッチが接続されているとともに前記第２クラッチが切断されている状態で前記発電部が力行動作している期間中に前記振動センサによって取得されたデータに基づいて、異常の有無を診断する、風力発電装置。

【請求項4】

前記発電部は、複数の異なる回転数で前記出力軸および前記主軸を回転させることが可能に構成されており、
前記異常診断部は、前記複数の異なる回転数で回転している期間中の各々において前記振動センサによって取得されたデータに基づいて、異常の有無を診断する、請求項１～３の何れか１項に記載の風力発電装置。

【請求項5】

バッテリと、
前記バッテリと前記発電部との接続経路上に配置されており、交流電流と直流電流との間の変換が可能に構成されている電力変換部と、
をさらに備え、
前記発電部は、前記バッテリの供給電力に基づいて力行動作することが可能に構成されている、請求項１～４の何れか１項に記載の風力発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、風力発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、主軸、増速機及び発電機といった回転機器の異常を診断することが可能な風力発電装置が開示されている。具体的には、ブレードが風力によって回転する際に回転機器に発生する振動を、振動センサを用いて取得する。そして振動波形の異常を検出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－１６６３９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の技術では、異常診断を行うためには、風力によってブレードを回転させる必要がある。すると、異常診断の実行の可否は、風環境の影響を大きく受けるため、例えば無風状態のときには異常診断を行うことができない。従って、所望のタイミングで自発的に異常診断を行うことが困難である。本明細書は、このような問題を解決できる技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示する風力発電装置は、ブレードと、一端がブレードに接続されている主軸と、主軸の他端に接続されている増速機と、一端が増速機に接続されている出力軸と、出力軸の他端に接続されている発電部と、振動センサと、異常診断部と、を備える。発電部は、力行動作することで出力軸および主軸を回転させることが可能に構成されている。異常診断部は、発電部が力行動作している期間中に振動センサによって取得されたデータに基づいて異常の有無を診断する。

【0006】

上記の構成では、発電部は、力行動作することで出力軸および主軸を自発的に回転させることができる。そして、自発的な回転中に、振動センサによってデータを取得することができる。これにより、風環境の影響を受けることがない。所望のタイミングで自発的に異常診断を行うことが可能となる。

【0007】

風力発電装置は、出力軸上に配置されている第１クラッチをさらに備えていてもよい。異常診断部は、第１クラッチが切断されている状態で発電部が力行動作している期間中に振動センサによって取得されたデータに基づいて、異常の有無を診断してもよい。これにより、ブレードの影響を受けずに、発電部の異常診断を行うことができる。

【0008】

風力発電装置は、主軸上に配置されている第２クラッチをさらに備えていてもよい。異常診断部は、第２クラッチが切断されている状態で発電部が力行動作している期間中に振動センサによって取得されたデータに基づいて、異常の有無を診断してもよい。これにより、ブレードの影響を受けずに、発電部および増速機の異常診断を行うことができる。

【0009】

風力発電装置は、出力軸上に配置されている第１クラッチ、および、主軸上に配置されている第２クラッチをさらに備えていてもよい。異常診断部は、第１クラッチが切断されている状態で発電部が力行動作している期間中に振動センサによって取得されたデータ、および、第１クラッチが接続されているとともに第２クラッチが切断されている状態で発電部が力行動作している期間中に振動センサによって取得されたデータに基づいて、異常の有無を診断してもよい。これにより、発電部の異常診断および増速機の異常診断の各々を行うことができる。

【0010】

発電部は、複数の異なる回転数で出力軸および主軸を回転させることが可能に構成されていてもよい。異常診断部は、複数の異なる回転数で回転している期間中の各々において振動センサによって取得されたデータに基づいて、異常の有無を診断してもよい。これにより、検知感度を変化させて異常診断を行うことができるため、診断精度を高めることが可能となる。

【0011】

風力発電装置は、バッテリをさらに備えていてもよい。風力発電装置は、バッテリと発電部との接続経路上に配置されており、交流電流と直流電流との間の変換が可能に構成されている電力変換部をさらに備えていてもよい。発電部は、バッテリの供給電力に基づいて力行動作することが可能に構成されていてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】風力発電装置１の概略構成図である。

【図2】風力発電装置１の動作を説明するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（風力発電装置１の構成）
図１に、風力発電装置１の概略構成図を示す。風力発電装置１は、ブレード１０、主軸２０、増速機３０、出力軸４０、発電部５０、第１クラッチ６１、第２クラッチ６２、異常診断部７０、振動センサ７１および７２、第１電力変換部８１、第２電力変換部８２、ＤＣ－ＤＣコンバータ８３、バッテリ８４、を備える。

【0014】

主軸２０は、第１主軸２０ａおよび第２主軸２０ｂを備えている。第１主軸２０ａの端部は、ブレード１０に接続されている。第２主軸２０ｂの端部は、増速機３０に接続されている。増速機３０は、ギアを用いて、ブレード１０の回転を発電に必要な回転数まで増幅させる部位である。主軸２０上には、第２クラッチ６２が配置されている。第２クラッチ６２によって、第１主軸２０ａおよび第２主軸２０ｂは、接続および切断が可能に構成されている。第２クラッチ６２には、様々な構成を使用可能である。

【0015】

出力軸４０は、第１出力軸４０ａおよび第２出力軸４０ｂを備えている。第１出力軸４０ａの端部は、増速機３０に接続されている。第２出力軸４０ｂの端部は、発電部５０に接続されている。出力軸４０上には、第１クラッチ６１が配置されている。第１クラッチ６１によって、第１出力軸４０ａおよび第２出力軸４０ｂは、接続および切断が可能に構成されている。第１クラッチ６１には、様々な構成を使用可能である。

【0016】

発電部５０は、ブレード１０から伝達された動力を用いた発電動作により、交流電流を出力する。また発電部５０は、バッテリ８４の供給電力に基づいて力行動作することで、出力軸４０および主軸２０を回転させることが可能に構成されている。発電部５０の内部には、不図示の変速機が内蔵されている。

【0017】

振動センサ７１および７２は、発電部５０および増速機３０の各々に取り付けられている。振動センサ７１は、発電部５０に関連する振動データＤ１を取得し、異常診断部７０に送信する。振動センサ７２は、増速機３０に関連する振動データＤ２を取得し、異常診断部７０に送信する。振動センサ７１および７２の種類や構造は特に限定されず、様々なタイプのセンサを使用可能である。

【0018】

異常診断部７０は、異常の有無を診断するための部位である。異常診断部７０から第１クラッチ６１および第２クラッチ６２には、制御信号Ｓ１およびＳ２が入力される。制御信号Ｓ１およびＳ２は、第１クラッチ６１および第２クラッチ６２の接続および切断を制御するための信号である。異常診断部７０から発電部５０には、指令信号Ｃ１が入力される。指令信号Ｃ１は、発電部５０に発電動作および力行動作の切り替えを指示する信号である。また指令信号Ｃ１によって、力行動作時の回転数を指示することができる。これにより発電部５０は、複数の異なる回転数で出力軸４０および主軸２０を回転させることが可能に構成されている。

【0019】

第１電力変換部８１は、ＤＣ－ＤＣコンバータ８３を介してバッテリ８４に接続されている。ＤＣ－ＤＣコンバータ８３は、昇圧及び降圧が可能な装置である。第１電力変換部８１は、発電動作中において、発電部５０からの交流電力を直流電力に変換して、バッテリ８４および第２電力変換部８２へ供給することができる。また第１電力変換部８１は、力行動作中において、バッテリ８４からの直流電力を交流電力に変換して、発電部５０へ供給することができる。

【0020】

第２電力変換部８２は、第１電力変換部８１およびＤＣ－ＤＣコンバータ８３に接続されている。第２電力変換部８２は、直流電力を交流電力に変換する部位である。第２電力変換部８２は、外部である電力系統８５へ、送電量ＰＴ１の交流電力を出力可能に構成されている。

【0021】

発電部５０、第１電力変換部８１、第２電力変換部８２、ＤＣ－ＤＣコンバータ８３は、一体の発電ユニットＰＵとして構成されている。これにより、故障が発生した場合にユニットごと交換することができるため、風力発電装置１のメンテナンス性を向上させることができる。

【0022】

（動作）
本実施例の風力発電装置１の動作について、図２のフローチャートを用いて説明する。図２のフローチャートは、風力発電装置１の動作中において常に実行されていてもよい。ステップＳ１０において、異常診断部７０は、異常診断の実行の可否を判断する。例えば、定期的に異常診断を行ってもよい。実行しない場合（Ｓ１０：ＮＯ）にはステップＳ１０へ戻り待機し、実行する場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）にはステップＳ２０へ進む。

【0023】

ステップＳ２０～Ｓ５０において、発電部５０の異常診断が実行される。以下に説明する。ステップＳ２０において異常診断部７０は、切断を指示する制御信号Ｓ１を送信する。これにより第１クラッチ６１が切断される。

【0024】

ステップＳ３０において異常診断部７０は、第１の力行動作を指示する指令信号Ｃ１を発電部５０へ送信する。これにより第２出力軸４０ｂは、第１の回転数で回転する。第１の回転数は、適宜定めればよい。また振動センサ７１は、第２出力軸４０ｂが第１の回転数で回転している期間中における振動データＤ１を取得し、異常診断部７０へ送信する。

【0025】

ステップＳ４０において異常診断部７０は、第２の力行動作を指示する指令信号Ｃ１を発電部５０へ送信する。これにより第２出力軸４０ｂは、第１の回転数とは異なる第２の回転数で回転する。第２の回転数は、適宜定めればよい。また振動センサ７１は、第２出力軸４０ｂが第２の回転数で回転している期間中における振動データＤ１を取得し、異常診断部７０へ送信する。

【0026】

ステップＳ５０において異常診断部７０は、発電部５０の異常の有無を診断する。具体例を説明する。発電部５０は、第２出力軸４０ｂ、第２出力軸４０ｂの軸受ベアリング、変速機、ロータ、などの様々な回転機器を備えている。発電部５０の動作に合わせて、それぞれの回転機器からは固有の振動が発生する。この振動を解析する一般的な方法として、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）解析が挙げられる。ＦＦＴのパワースペクトルによって、振動データの周波数成分を特定し定量化することができる。特定の周波数成分を特定の回転機器に関連付けることで、異常部品の診断を行うことができる。また、次数解析を行うことができる。次数とは、回転速度の正規化のことである。次数解析を用いることで、複数の異なる回転数で取得された振動データを用いてＦＦＴのパワースペクトルを生成した場合に、それぞれの回転機器に関連するピークをより明確に示すことができる。

【0027】

本明細書の技術では、第２出力軸４０ｂの第１の回転数における振動データＤ１（ステップＳ３０）、および、第２出力軸４０ｂの第２の回転数における振動データＤ１（ステップＳ４０）を用いて、異常の有無を診断する。理由を説明する。様々な回転機器の各々は、回転数ごとに振動の状態が異なる。回転機器の各々が、固有の共振周波数を有するためである。従って、回転機器の各々の振動の検知感度は、第２出力軸４０ｂの回転数によって変化する。すると、第２出力軸４０ｂのある１つの回転数のみで振動データＤ１を取得した場合、検知感度が低い回転機器では、異常が隠れてしまう場合がある。そこで第２出力軸４０ｂの複数の回転数の各々について振動データＤ１を取得し、次数解析を行っている。これにより、検知感度を変化させて異常診断を行うことができるため、診断精度を高めることが可能となる。

【0028】

ステップＳ６０～Ｓ８０において、増速機３０の異常診断が実行される。以下に説明する。ステップＳ６０において異常診断部７０は、接続を指示する制御信号Ｓ１および切断を指示する制御信号Ｓ２を送信する。これにより、第１クラッチ６１が接続されるとともに、第２クラッチ６２が切断される。

【0029】

ステップＳ７０において異常診断部７０は、第１の力行動作を指示する指令信号Ｃ１を発電部５０へ送信する。これにより、出力軸４０が第１の回転数で回転するとともに、第２主軸２０ｂが増速比で定まる第３の回転数で回転する。振動センサ７１は、出力軸４０が第１の回転数で回転している期間中における振動データＤ１を取得し、異常診断部７０へ送信する。振動センサ７２は、第２主軸２０ｂが第３の回転数で回転している期間中における振動データＤ２を取得し、異常診断部７０へ送信する。

【0030】

ステップＳ８０において異常診断部７０は、第２の力行動作を指示する指令信号Ｃ１を発電部５０へ送信する。これにより、出力軸４０が第２の回転数で回転するとともに、第２主軸２０ｂが増速比で定まる第４の回転数で回転する。また振動センサ７１は、出力軸４０が第２の回転数で回転している期間中における振動データＤ１を取得し、異常診断部７０へ送信する。振動センサ７２は、第２主軸２０ｂが第４の回転数で回転している期間中における振動データＤ２を取得し、異常診断部７０へ送信する。

【0031】

ステップＳ９０において異常診断部７０は、増速機３０の異常の有無を診断する。本明細書の技術では、第２主軸２０ｂの第３の回転数における振動データＤ２（ステップＳ７０）、および、第２主軸２０ｂの第４の回転数における振動データＤ２（ステップＳ８０）を用いて、異常の有無を診断する。診断方法の具体的内容は、ステップＳ５０と同様であるため、説明を省略する。

【0032】

なお、増速機３０の異常診断時において、発電部５０から発生する振動がノイズとなる場合がある。この場合、以下に説明する方法を用いて、ノイズを除去することができる。まず、発電部５０に関するＦＦＴのパワースペクトルを生成する。このスペクトルは、出力軸４０の第１の回転数における振動データＤ１（ステップＳ７０）、および、出力軸４０の第２の回転数における振動データＤ１（ステップＳ８０）を用いて生成することができる。次に、増速機３０に関するＦＦＴのパワースペクトルを生成する。このスペクトルは、ステップＳ９０で上述した内容で生成することができる。そして、増速機３０に関するＦＦＴのパワースペクトルから発電部５０に関するＦＦＴのパワースペクトルを減算することで、発電部５０から発生するノイズ振動成分を除去することができる。

【0033】

ステップＳ１００において異常診断部７０は、異常診断を終了するか否かを判断する。終了しない場合（Ｓ１００：ＮＯ）には、ステップＳ２０へ戻り、再度診断を実行する。一方、終了する場合（Ｓ１００：ＹＥＳ）には、ステップＳ１１０へ進む。ステップＳ１１０において異常診断部７０は、接続を指示する制御信号Ｓ２を送信する。これにより、第１クラッチ６１および第２クラッチ６２が接続され、ブレード１０の動力を発電部５０に伝達可能な状態となる。

【0034】

（効果）
比較例として、風力によってブレード１０が発生する駆動力によって主軸２０および出力軸４０を回転させることで、振動データを取得する場合を考える。この場合、異常診断の実行の可否は、風環境の影響を大きく受けるため、所望のタイミングで自発的に異常診断を行うことは困難である。そこで本実施例の風力発電装置１では、発電部５０を力行動作することで、出力軸４０および主軸２０を自発的に回転させる。そして、自発的な回転中に、振動センサ７１および７２によって振動データＤ１およびＤ２を取得する。これにより、風環境の影響を受けることがないため、所望のタイミングで自発的に異常診断を行うことが可能となる。

【0035】

比較例のように風力エネルギを回転運動に変換する場合には、風向きや風速が常に変動するため、主軸２０および出力軸４０の回転数が一定とならない。振動が時間変動するため、振動データの精度が低下してしまう。本実施例の風力発電装置１では、電気エネルギを発電部５０によって回転運動に変換するため、主軸２０および出力軸４０の回転数を一定にすることができる。振動データの精度を高めることができるため、異常診断を正確に行うことが可能となる。

【0036】

本実施例の風力発電装置１では、異常診断の実行期間中において、第１クラッチ６１および第２クラッチ６２によって、ブレード１０を切り離すことができる。これにより、ブレード１０で発生する駆動力や振動などの各種のノイズが、増速機３０や発電部５０に伝達してしまうことを防止できる。異常診断を正確に行うことが可能となる。

【0037】

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で、技術的な有用性を持つものである。

【0038】

（変形例）
風力発電装置１は、第１クラッチ６１および第２クラッチ６２を備えていなくてもよい。この構成においても、発電部５０が力行動作することで、出力軸４０および主軸２０を自発的に回転させることができる。所望のタイミングで異常診断を行うことが可能となる。

【0039】

風力発電装置１は、第１クラッチ６１を備えるとともに、第２クラッチ６２を備えていなくてもよい。これにより、ブレード１０の影響を受けずに、発電部５０の異常診断を行うことができる。また風力発電装置１は、第２クラッチ６２を備えるとともに、第１クラッチ６１を備えていなくてもよい。これにより、ブレード１０の影響を受けずに、発電部５０および増速機３０の異常診断を行うことができる。

【0040】

発電ユニットＰＵには、様々な分野で用いられるユニットを適用することが可能である。例えば、ハイブリット車で用いられる電動ユニットを流用することができる。ハイブリット車の電動ユニットは量産効果により比較的安価に調達することができるため、風力発電装置１の製造コストを削減することが可能となる。

【0041】

ステップＳ５０およびＳ９０で説明した異常診断方法は一例であり、様々な診断方法を用いることが可能である。また異常診断を行うタイミングは様々であってよい。例えば、振動データＤ１およびＤ２を先に取得してから、発電部５０および増速機３０の異常診断をまとめて行ってもよい。また、増速機３０の異常診断を発電部５０の異常診断よりも先に行ってもよい。

【0042】

本実施例では、２つの回転数における振動データを用いて異常診断する場合を説明したが、この形態に限られない。３つ以上の回転数を用いてもよい。

【0043】

振動センサの位置および数は限定されない。例えば、主軸２０や出力軸４０などに振動センサを取り付けてもよい。

【0044】

本明細書の技術は、回転機構を備える発電装置であれば何れの装置にも適用可能である。本実施例では、原動機が風力用のブレード１０である場合を説明したが、この形態に限られない。水力タービン、地熱タービンなど、原動機の種類は様々であって良い。

【符号の説明】

【0045】

１：風力発電装置 １０：ブレード ２０：主軸 ３０：増速機 ４０：出力軸 ５０：発電部 ６１：第１クラッチ ６２：第２クラッチ ７０：異常診断部 ７１、７２：振動センサ ８１：第１電力変換部 ８２：電力変換部 ８３：ＤＣ－ＤＣコンバータ ８４：バッテリ

【図1】

【図2】